大跨度桥梁健康监测传感器优化布置与损伤识别研究

发布时间：2020-11-22 09:59

　　 处于正常运营期间的桥梁,由于动静荷载的作用、材料特性随时间的变化以及桥梁所处环境的影响等多种因素,将不可避免地产生损伤,最终导致结构整体功能的削弱。桥梁健康监测系统是桥梁在正常使用过程中捕捉桥梁信息、判断桥梁健康特征的重要手段,构建完善的系统能够及时反映桥梁出现的问题,保证人民群众的人身安全,避免经济的大量损失,其中传感器子系统和诊断与预警子系统是桥梁健康监测系统的两个重要组成部分。如何在保证采集信息完整的前提下节约传感器子系统的造价,优化传感器的采用数量和布置位置,并通过该系统采集的信息识别桥梁产生的损伤是近年来研究的热点。本文首先针对大跨桥梁的传感器优化布置问题,结合遗传算法和嵌套分区算法提出了适用于解域庞大、离散变量多、极值密集问题的嵌套层迭遗传算法,并建立了算法的完整数学结构。利用两个基准函数测试对比了新型算法和传统遗传算法的优化能力,得到新型算法优化能力更为突出的结论。然后基于乌海黄河特大矮塔斜拉桥的工程实例,建立了ANSYS有限元实体模型,并进行了相应的动力模态分析。依据该类桥梁的结构特点和动力特性,确定桥梁的主要监测对象。最后根据监测对象分别采用相应的优化布置准则,利用嵌套层迭遗传算法对该工程实例进行计算,得到了较为全面的传感器布置方案。为了推广新型算法对不同问题的适用性,本文依据依托工程的简化模型数据计算分析了新型算法所包含参数的敏感性,给出了相应参数的取值范围,为同类问题的计算提供了参考。在采用了相应的传感器布置方案后,本文依据其中加速度传感器的布置方案,测试了近年研究较多的曲率模态法、柔度曲率差法和均匀荷载面法三种损伤识别指标。将矮塔斜拉桥按照受力和外形特点分区后,采用仿真手段模拟理论上单点与两点损伤的发生,分多个工况研究了指标的识别性。大量数据测试表明,理论上,基于传感器布置方案下的曲率模态法无法进行损伤识别,结合柔度曲率差法和均匀荷载面法能够对大部分损伤进行粗略定位,但是无法精确识别损伤的发生位置和程度,对于该类问题需要进一步研究。本文研究内容为内蒙古交通科技项目——乌海黄河特大桥健康监测与安全评估系统研究项目的一部分,研究成果可为该项目依托工程健康监测系统的建立提供依据。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U446;TP212
【部分图文】：

（1）传感器系统，主要内容为选择合适的传感器种类，并合理地布设在结构中。本文即针对这一部分进行研究[6]。（2）数据的采集与相应的分析系统，主要构成为具有高运算能力的计算机[7]。（3）监控指挥中心，可以发现传感器所采集数据中的异样并发出预警。（4）实现诊断功能的各种程序，需要能够进行损伤位置、程度识别的相应指标与方法，本文也针对该类问题进行了一定的研究。健康监测系统实时响应的过程如下：由布置于结构中的各类传感器组成的系统采集桥梁实时信号，经由数据传输系统传输至监控中心，由计算机系统中的软硬件及程序进行处理和判断，进而评估出桥梁的健康状态。若结构产生异常，监控中心可以提前发出预警，并诊断故障发生的原因，最终人为治理，保证结构系统正常运行[8]。

.1 算法的编码与初始化和 GA 算法类似，在进行运算前需要首先确定算法的编码方式，在桥梁化布置中，建议采用二进制或十进制进行编码，计算迅速直观；对于也可使用除十进制编码外的其他浮点数编码和符号编码方式。这里就优化布置为例，详细介绍 NSGA 算法的编码过程。对欲布置传感器的结构，为了避免传感器布置相邻而产生信息冗余的情假设将一定数目的传感器均分到全桥长度范围内，即不同的传感器存位置取值。因此本算法采用十进制的编码方式能够简便地处理全桥范的位置。若假设全桥长度 L，可布置传感器的点位数为 n，传感器数目为法编码及初始化步骤如下：步骤 1：将全桥可布置点位编号为 1~n，每个点位对应于桥梁模型中的，即存在 1 个位置坐标 ( ,0,0), ∈ {1,2,…, }；步骤 2：将全桥的长度 L 按照布置传感器的个数等分，产生传感器布置 2-2，每个区段内存在不同数量的可布置点位，每个区段的长为： =

图 2-3 Sphere 函数Fig. 2-3 Sphere function该函数在含有两个自变量情况下的曲面图。该函数为 {0,0,…,0}处取得函数的唯一最小值 = 0。，选取函数自变量为 10 个，取值范围为 ∈ [ 100个变量能够取得 200 个值，那么函数的解空间大小为A 的对比优化方法，两者的参数设定如表 2-1：表 2-1 参数设定Tab. 2-1 Parameters setting交叉率 变异率 种群大小 染0.7 0.015 40 0.7 0.015 40 数则设为 5000 和 10000 两种用于计算。经过数次计表 2-2 GA 计算结果
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本文编号：2894525